220~35KV变电所继电保护设计

摘要：本次设计是针对220kV变电站的变压器继电保护而进行设计的。设计中涉及主要内容包括：变电站的设计任务说明，变电站主接线分析，变电站保护配置说明和继电保护的整定计算。本次设计中对变压器采用的保护有瓦斯保护、纵联差动保护、过电流保护、过负荷保护、零序电流保护和油温保护。

关键词: 继电保护，纵联差动保护，整定计算

目录

1 任务介绍与说明    1

2 变电所保护方案配置列表    1

3 变电所继电保护方案及其原理说明    1

3.1变压器保护方案说明    1

3.2 变压器故障种类    1

3.3 变压器瓦斯保护的相关概念    2

3.3.1 瓦斯保护的原理    2

3.3.2瓦斯保护的组成    2

3.3.3 变压器瓦斯保护的优点和缺点    5

3.3.4 变压器瓦斯保护的动作过程    5

3.4 变压器的纵联差动保护    5

3.4.1 变压器纵联差动保护的原理    6

3.5 变压器过电流保护    6

3.6. 电力变压器的过负荷保护    7

3.7 电力变压器的温度保护    8

3.8 变压器保护及其安装位置    8

3.9 变压器各个保护动作时限配合    9

4变压器保护用继电器选型结果    9

5 各种继电保护的整定计算    10

5.1 变压器纵联差动保护的整定计算及灵敏度校验    10

5.1.1 纵联差动保护的整定计算    10

5.1.2 变压器差动保护的灵敏度校验    14

6.2 变压器瓦斯保护的整定    14

6.2.1 瓦斯保护整定范围    14

6.3 变压器后备保护的整定及校验    14

6.3.1过电流保护的整定计算及灵敏度校验    14

6.3.2过负荷保护    15

总结    16

致  谢    17

参考献文    18

1 任务介绍与说明

本次继电保护设计的对象变电所站情况如下：

本变电站基本数据：电压等级为10.5kV/220kv，容量200MVA，负荷类型：一级，Tmax(h)=5000,负荷功率因数0.8。

采用安装100MVA变压器两台，保证负荷等级需要。220kV侧的主接线形式为双母线接线，由L1、L2两条输电线路与系统环并运行，并互为备用。35kV侧的主接线形式为双母线接线。本次设计变电站的主接线图附图1：

2 变电所保护方案配置列表

    根据前章所述的保护原则和继电保护规程要求，现拟配置大理变电所的继电保护装置如下：

表1 变电所保护方案配置列表

3.1变压器保护方案说明

在供配电系统中，电力变压器是十分重要的电器元件。虽然变压器是静止设备，结构简单，运行可靠，但是它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。

3.2 变压器故障种类

变压器的内部故障可分为油箱内和油箱外故障两种。

油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等，对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈汽化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加以切除。

油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。上述接地短路均系对中性点直接接地电力网的一侧而言。

变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因引起的油面降低。

3.3 变压器瓦斯保护的相关概念

    变压器瓦斯保护是用来反应变压器内部的故障，当变压器油箱内部发生故障，油分解产生气体或当变压器油面降低时，瓦斯保护应动作。

油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质的，当变压器油箱内部发生故障，由于短路电流所产生的电弧使变压器的绝缘材料和变压器油分解而产生大量气体。这些大量气体形成气流并与油流混合冲向油枕的上部。故障愈严重，产生的气体越多，油流速度越快。利用这种气体来实现的保护，称为瓦斯保护。

3.3.1 瓦斯保护的原理

反应变压器内部故障的各种保护装置除瓦斯保护外，由于受灵敏度的，都不能反应变压器内部一切形式的故障，特别是匝间短路和严重漏油等故障。如变压器绕组的匝间短路，将在短路的线匝内产生环流，局部过热，损坏绝缘，并可能发展成为单相接地故障或相间短路故障，但在变压器外部电路中的电流值还不足以使变压器的差动保护或过电流保护动作，但瓦斯保护却能动作并发出信号，使运行人员及时处理，从而避免事故的扩大。因此，瓦斯保护是反应变压器内部故障最有效、最灵敏的保护装置。瓦斯保护只反应变压器油箱内的故障，不能反应油箱外套管与引出线上的故障，因此，它不能单独作为变压器的主保护，通常它与纵联差动保护或电流速断保护配合共同作为变压器的主保护。

3.3.2瓦斯保护的组成

瓦斯保护的主要元件是气体继电器（原称瓦斯继电器），它安装在油箱与油枕之间的连接管道中。变压器内部发生故障，绝缘物和油分解时油箱内产生大量气体都要通过气体继电器流向油枕，为保证气体顺利进入油枕，变压器顶盖与水平面之间应有1%-1.5%的坡度，连接管道应有2%-4%的坡度。气体继电器安装方向是由箭头指向油枕.

瓦斯保护主要是有瓦斯继电器组成,它安装在油箱与油枕之间的管道上,如下图所示.FJ3-80型复合式瓦斯继电器有较好的防震性能.它是由挡板和开口杯复合而成的，上下方各有一个带干簧触点的开口杯,正常时,上下开口杯都浸在油内.由于开口杯及附件在油内的策略所产生的力矩比平衡锤4产生的力矩小,因此,开口杯处于上升位置,干簧触点3断开,当发生轻微故障时,分解出少量气体,此气体上升并聚集在瓦斯继电器上部,使瓦斯继电器中油面下降,上开口杯露出油面.此时,开口杯及附件在空气中的重力加上杯中油的重量,所产生的力矩大于在油中平衡锤所产生的力矩,因此,开口杯顺时针方向转动,带动磁铁靠近,使上方的干簧触点闭合,发出轻瓦斯动作信号.当发生严重故障时,产生大量气体,在气流和油流的冲击下,挡板带动下开口杯转动,使下干簧触点闭合,发生跳闸脉冲.当严重漏油时,油面极度下降,与上开口杯动作原理相同,也可是下开口杯动作于跳闸.

1-下开口杯   2 上开口杯   3干簧触点   4平衡锤   5 放气阀   6探针   7 支架   

8 挡板   9 进油挡板   10 永久磁铁

图1.3 瓦斯保原理电路

工作原理：1是瓦斯继电器；2是信号继电器；3是出口继电器；4是连片。当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生,瓦斯继电器的上触点闭合，作用于延时信号；发生严重故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经信号继电器，发出报警信号，同时通过连片使出口继电器动作使短路器跳闸，瓦斯继电器的下触点闭合，也可以利用切换片XB切换位置，只给出报警信号。

为了消除复合式瓦斯继电器的下触点在发生重瓦斯时可能有跳动(接触不稳定)现象，出口继电器有自保持触点，只要瓦斯继电器的下触点一闭和,KCO就动作并自保持。当短路器跳闸后，短路器的辅助触点断开自保持回路，使KCO恢复起始位置。

3.3.3 变压器瓦斯保护的优点和缺点

瓦斯保护的优点是不仅能反映变压器油箱内部的各种故障，而且还能反映差动保护所不能反映的不严重的匝间短路和铁心故障。此外，当变压器内部进入空气时也有所反映。因此，是灵敏度高、结构简单、动作迅速的一种保护。 其缺点是不能反映变压器外部故障（套管和引出线），因此瓦斯保护不能作为变压器各种故障的唯一保护。瓦斯保护抵抗外界干扰的性能较差，例如剧烈的震动就容易误动作。如果在安装瓦斯继电器时未能很好地解决防油问题或瓦斯继电器不能很好地防水，就有可能漏油腐蚀电缆绝缘或继电器进水而造成误动作。

3.3.4 变压器瓦斯保护的动作过程

（1）轻瓦斯动作过程，当变压器内部发生匝间短路时，产生少量的瓦斯气体，轻瓦斯继电器WST2动作，接点WST2接通给信号继电器KS3励磁，接通信号回路，进行报警。

（2）重瓦斯动作过程，当变压器内部发生相间短路时，产生大量的瓦斯气体，重瓦斯继电器WST1动作，接点WST1接通给信号继电器KS2励磁，接通信号回路，进行报警；并给中间继电器KM1励磁接通断路器的出口跳闸回路，使断路器跳闸，切除故障变压器。

3.4 变压器的纵联差动保护

变压器差动保护能正确区分被保护元件的保护区内、外故障，并能瞬时切除保护区内的短路故障。变压器的纵联差动保护用来反应变压器绕组、套管及引出线上的各种短路故障，是变压器的主保护。应用输电线路纵联差动保护原理，可以实现变压器的纵联差动保护，对于变压器纵联差动保护，比较两侧有关电气量更容易实现，所以变压器的纵联差动保护得到了广泛的应用。

3.4.1 变压器纵联差动保护的原理

变压器纵联差动保护通常采用环流法接线，如上图所示，为双绕组变压器纵联差动保护的单相原理接线图。它是将被保护元件两侧的电流互感器一次侧，靠近被保护元件端连在一起。然后，将差动继电器并联到两电流互感器上。

双绕组变压器实现纵联差动保护的原理接线图：

图2 纵联差动保护的原理接线图

但是要实现变压器的纵联差动保护，就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比。此时变压器两侧电流互感器的二次侧电流。

正常运行和外部短路时，流过差动继电器的电流为：差动继电器KD不动作。

当变压器内部发生相间短路时，在差动回路中由于改变了方向或等于零（无电源侧），这时流过差动继电器的电流为，该电流为流过短路点的短路电流，使差动继电器KD可靠动作，并动作于变压器两侧断路器跳闸。

由此可知，变压器纵联差动保护的保护范围是构成变压器差动保护的两侧电流互感器之间的范围。在保护范围之外发生故障时，保护不动作，一侧不需要与保护区外相邻元件的保护在整定和整定时限上相互配合，所以在区内故障时，可瞬时动作。

3.5 变压器过电流保护

过电流保护的动作电流通常较高，往往不能满足升压变压器或较大容量的降压变压器对灵敏度的要求，这时，可采用低电压起动的过电流保护。

下图为过电流保护接线图，只有当电流继电器和低电压继电器同时动作后，才能起动时间继电器，经预定延时，起动出口中间继电器动作于跳闸。

过电流保护的动作电流通常较高，往往不能满足升压变压器或较大容量的降压变压器对灵敏度的要求，这时，可采用低电压起动的过电流保护。

下图为过电流保护接线图，只有当电流继电器和低电压继电器同时动作后，才能起动时间继电器，经预定延时，起动出口中间继电器动作于跳闸。

图5过电流保护原理接线图

    因为并列运行变压器突然切除一台或异步电动机自起动时母线电压并不降低很多，因此低电压继电器不会动作，电流继电器的动作电流就可不考虑可能出现的最大负荷电流而是按大于变压器额定电流来整定，可见，其动作电流比过流保护动作电流小，因此提高了保护的灵敏性。

低电压继电器的动作电压应低于正常运行情况下母线上可能出现的最低工作电压，同时继电器在外部短路故障切除后电动机自起动的过程中必须返回。

当电压互感器二次回路发生断线时，低电压继电器动作，而整套保护装置不会动作，故只通过中间继电器发出断线信号，由运行人员处理。

3.6. 电力变压器的过负荷保护

变压器过负荷电流大多数情况下三相是对称的，因此之装设对称过负荷保护。即只用一个电流继电器接于任一相电流之中，动作时经延时作用于信号。变压器过负荷保护原理接线图如下：

图6 过负荷保护的原理接线图

过负荷保护能反应变压器各绕组的过负荷情况。对双绕组降压变压器应装设在高压侧。

过负荷保护的动作时限，应比过电流保护的最大时限增加一个时限阶差。以防止过负荷保护在外部短路故障及短路时过负荷时误发信号。在无人值班的变电所，保护作用于自动减负荷或跳闸。

3.7 电力变压器的温度保护

变压器温度保护的核心元件时温度继电器，它是一种非电量继电器，由变压器生产厂成套提供。

当变压器油温升高时，受热元件膨胀，温度继电器动作，接通断路器跳闸回路，使断路器跳闸，切除变压器，并发出音响信号。

3.8 变压器保护及其安装位置

表2 变压器保护及其安装位置

变压器各个保护的动作时限不同。主保护(瓦斯保护和纵联差动保护)的动作时限很短,约0.06s左右。后备保护（过电流保护、过负荷保护、温度保护等）较主保护动作时间逐渐延迟。

图7 变压器各个保护动作时限配合图

4变压器保护用继电器选型结果

变压器保护用继电器选型如下表3所示：

表3 变压器保护配置及继电器选型表

5.1 变压器纵联差动保护的整定计算及灵敏度校验

5.1.1 纵联差动保护的整定计算

（1）变压器两侧的一次电流计算

220kV侧                        （2-1）

35kV侧                         （2-2）

式中  ——变压器的额定容量；

——变压器的一次额定电压；

——变压器的二次额定电压。

（2）变压器电流互感器的计算变比

变压器Y型侧（高压侧）的电流互感器变比为：

                          （2-3）

变压器D型侧（低压侧）的电流互感器变比为：

                               （2-4）

（3）二次回路的额定电流

           D接侧                        （2-5）

           Y接侧                              （2-6）

表4 计算结果列表

计算变压器差动保护的动作电流，并将其归算到基本侧。

（1）确定保护装置的一次动作电流。

a.躲过变压器的励磁电流为：

                         （2-7）

式中  ——可靠系数，查阅工程手册选用1.3

b.躲过外部短路最大不平衡电流

                          （2-8）

式中  ——可靠系数，查阅工程手册选用1.3；

——最大不平衡电流；

——同型系数，变压器两侧电流互感器不同型，查阅工程手册选1；

——由变压器调压引起的误差，取0.05；

——平衡线圈实际匝数与计算匝数不同引起的误差，取0.05；

——外部短路流过基本侧的最大短路电流。

c.躲过电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷电流（用代替）:

                        （2-9）

式中  ——变压器的最大负荷电流；

——可靠系数，查阅工程手册选用1.3。

综上所述，选取35kV侧一次动作电流为。

（2）差动继电器基本侧（35kV侧）的二次动作电流为:

                              （2-10）

式中  ——电流互感器的接线系数，角形接线取；

——电流互感器的变比。

（3）确定BCH-2型差动继电器基本侧（35kV侧）各线圈匝数

     该继电器在保持时，其基本动作安匝为安匝，据此计算220kV侧工作线圈的计算匝数为：

     匝                                    （2-11）

  选用实用整定匝数匝

为了平衡得更精确，使不平衡电流影响更小，可将基本侧平衡线圈作为动作匝数的一部分，基本侧的工作线圈匝数等于差动线圈和平衡线圈之和，选取差动线圈与平衡线圈的整定匝数匝，匝，即：

匝   

根据选取的基本侧的工作线圈整定匝数，算出继电器的实际动作电流和保护一次动作电流分别为：

                                        （2-13）

                               （2-14）

确定非基本侧平衡线圈计算匝数

                                   （2-15）

                                      （2-16）

选用与相近的整数匝作为非基本侧平衡线圈的整定匝数，实际选择匝。

校验由于实用匝数与计算匝数不相等而产生的相对误差

                                  （2-17）

因为，则以上计算结果有效。

5.1.2 变压器差动保护的灵敏度校验

按变压器内部两相短路故障时的最小短路电流校验。

                           （2-18）

式中  ——变压器内部故障时的最小短路电流，用母线处短路时流经短路点的短路电流来代替。

经校验变压器差动保护灵敏度不合格。

6.2 变压器瓦斯保护的整定

6.2.1 瓦斯保护整定范围

轻瓦斯保护的动作值采用气体容积表示。通常气体容积的整定范围为250-300cm³。对于容量在10兆伏安以上的变压器，多采用250-300cm³ 。气体容积的调整可通过改变重锤位置来实现。重瓦斯保护的动作值采用油流流速表示。一般整定范围在0.6-1.5m/s，该流速指的是导中油流的速度。对FJ3-80型复合继电器进行油速调整时，可先松动调节螺杆，在改变弹簧的长度即可，一般整定在1m/s左右。

本设计对象为SFPS-120000/220型变压器，额定容量较大，因此将轻瓦斯保护动作值的气体容积整定为300cm³，将重瓦斯保护动作值的油流流速整定为1.5m/s。

6.3 变压器后备保护的整定及校验

6.3.1过电流保护的整定计算及灵敏度校验

（1）保护装置的动作电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流整定。

对并列运行的变压器，应考虑突然切除一台时所出现的过负荷情况。两台变压器容量相同，则另一台变压器的最大负荷电流为：

                         （2-19）

考虑负荷中心电动机自启动时的最大电流

                             （2-20）

式中  ——自起的系数，其值与负荷性质及用户与电源间的电器距离有关，220kV降压变电站取2；

——正常运行时最大负荷电流。

                            （2-21）

式中  ——可靠系数，查阅工程手册选用1.3；

——返回系数，查阅工程手册选用0.85。

（2）灵敏度校验

                                （2-22）

式中  ——变压器内部最小两相短路电流。

不符合继电保护的规程要求，因此需要采用低电压起动的过电流保护。

6.3.2过负荷保护

（1）过负荷保护的动作电流应按躲过变压器的额定电流来整定

选择电流互感器的变比为300A/5A

 一次动作电流为：

                      （2-30）

二次动作电流为：

                                 （2-31）

式中  ——可靠系数，取1.05；

——返回系数，取0.85；

——保护安装侧变压器额定电流。

过负荷保护的动作时限，应比过电流保护的最大时限增加一个阶差。以防止过负荷保护在外部短路故障及短时过负荷时误发信号。

（2）过负荷保护的动作时限应大于瓦斯保护、纵差保护和过电流保护的动作时限，因此一般整定在1s左右。

总结

本次课程设计的主要内容是针对220/35kV电力系统中可能出现的各种不正常状态和故障状态，对主变压器和母线的保护配置及二次回路设计，依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验从而来确定方案中的保护是否合适。

选择变压器保护过程中首先利用电力系统分析的知识，求出各短路点的短路电流，从而确定各短路点短路电流。根据短路电流进行二次保护的设计，确定适合的保护方案。为了能够确定这些保护是否满足要求，是否有足够的实用性，还需要对它们进行整定计算和灵敏性校验，并根据整定计算结果选择各个保护用的继电器。

在设计过程中虽然遇到了一些困难和麻烦，但经过老师的悉心指导及时改正了错误，而且对继电保护的知识有了更加深刻的理解。此次毕业设计不但是对三年大学知识的一个总结，也为将来走上工作岗位打下了坚实的基础。

参考献文

[1]崔家佩，孟庆炎，陈永芳，熊炳耀.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京：水利电力出版社，2002年.P194-226，P548-5.

[2]许建安，连晶晶.继电保护技术.北京：中国水利水电出版社，2004.7.P8-20，P183-211.

[3]尹项根,曾克娥.电力系统继电保护原理与应用.武汉:华中科技大学出版社,2001年5月.P70-87,P278-294.

[4]贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理.增订版.北京:中国电力出版社,2004

[5] 王维俭.电力系统继电保护基本原理.北京:清华大学出版社,1997

[6] 卢继平,詹红霞.电力系统继电保护.重庆:重庆大学出版社,2003

[7]刘介才.工厂供电.北京：机械工业出版社，2003.7

[8]马贵荣.工业企业供电实用技术.北京:北京理工大学出版社,2010

[9]宋从矩,贺家李.电力系统继电保护原理.北京:中国电力出版社,2009 

[10]熊信银.发电厂电气部分.北京:中国电力出版社,2009

[11]江文，徐慧中. 北京：机械工业出版社，2003.7

[12]罗珏玲,电力系统微机继电保护.北京:人民邮电出版社,2005.5